Кипение. Удельная теплота парообразования и конденсации

Введение

Переход вещества из одного агрегатного состояния в другое сопровождается глубокими изменениями внутренней энергии и физических свойств вещества. Одним из наиболее интересных и часто наблюдаемых процессов является кипение — процесс интенсивного парообразования, который лежит в основе работы паровых котлов, двигателей, систем отопления, климатической техники и множества природных явлений.
Понимание природы кипения, факторов, влияющих на него, и количественных характеристик, таких как удельная теплота парообразования и конденсации, помогает объяснить не только, почему вода закипает при 100 °C, но и почему на вершине гор она закипает быстрее, а еда готовится дольше.

В этой статье мы рассмотрим с точки зрения физики процесс кипения, его отличия от испарения, зависимость температуры кипения от давления, а также познакомимся с понятием удельной теплоты парообразования и конденсации и научимся решать задачи, связанные с этими величинами.

1. Кипение и его отличительные черты от процесса испарения

Испарение — это процесс превращения жидкости в пар, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре.
Кипение — более интенсивный процесс, который происходит во всём объёме жидкости при строго определённой температуре, называемой температурой кипения.

Отличительные признаки кипения:

1. Пар образуется не только на поверхности, но и внутри жидкости — в виде пузырьков.

2. Кипение происходит при постоянной температуре (если давление остаётся неизменным).

3. В момент кипения количество теплоты, поступающей к жидкости, расходуется на превращение жидкости в пар, а не на повышение температуры.

Таким образом, если испарение — это медленный поверхностный процесс, то кипение — бурное образование пара во всём объёме жидкости.

2. Протекание процесса кипения (на примере воды)

Рассмотрим, как происходит кипение воды:

1. При нагревании вода становится горячее, её молекулы движутся всё быстрее.

2. На стенках и дне сосуда начинают появляться пузырьки воздуха, которые поднимаются вверх.

3. Когда температура достигает 100 °C при нормальном атмосферном давлении, пузырьки пара начинают образовываться во всей жидкости.

4. Эти пузырьки, достигая поверхности, лопаются, и водяной пар выходит наружу.

5. Вся энергия, подводимая к воде в процессе кипения, тратится на разрыв связей между молекулами и превращение жидкости в пар.

Пока кипение продолжается, температура воды не увеличивается, даже если к ней продолжает поступать тепло.

3. Температура кипения и её зависимость от давления

Температура кипения зависит от внешнего давления.
Чем ниже давление, тем ниже температура кипения, и наоборот.

Примеры:

• На вершинах гор давление меньше, поэтому вода закипает при температуре около 90 °C.

• В скороварке давление выше атмосферного, поэтому вода закипает при температуре выше 100 °C, что позволяет готовить пищу быстрее.

Таблица температур кипения некоторых веществ при нормальном давлении (101,3 кПа):

Таким образом, температура кипения является важной характеристикой вещества и широко используется в промышленности — при перегонке нефти, дистилляции спирта, в холодильных установках, при производстве жидких газов.

4. Удельная теплота парообразования

Чтобы вещество перешло из жидкого состояния в пар, необходимо сообщить ему определённое количество теплоты.
Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг жидкости в пар при постоянной температуре кипения, называется удельной теплотой парообразования.

Обозначается: L
Единица измерения: Дж/кг

Формула для расчёта количества теплоты:

Q = L·m,
где
Q — количество теплоты (Дж),
m — масса жидкости (кг),
L — удельная теплота парообразования (Дж/кг).

Пример:
Чтобы вскипятить 1 кг воды при 100 °C, нужно затратить примерно 2,3 × 10⁶ Дж тепла, т.е. 2,3 МДж.

Это значит, что превращение воды в пар требует очень большого количества энергии — именно поэтому вода используется в паровых двигателях и отопительных системах.

5. Конденсация и удельная теплота конденсации

Конденсация — это процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.
При конденсации выделяется столько же теплоты, сколько было затрачено при парообразовании:

Q = L·m

Но в этом случае теплота выделяется, а не поглощается.
Эта закономерность широко используется в теплообменниках, конденсаторах паровых турбин, при образовании облаков и дождей.

6. Применение знаний о кипении и парообразовании

1. Техника и промышленность. Принцип парообразования используется в паровых турбинах, котлах, двигателях, холодильных установках.

2. Быт. Скороварки и чайники — примеры использования зависимости температуры кипения от давления.

3. Природа. Кипение и конденсация участвуют в круговороте воды в природе, образовании облаков и выпадении осадков.

7. Энергетические процессы при кипении и конденсации

При кипении жидкость поглощает энергию, и её внутренняя энергия увеличивается.
При конденсации, наоборот, происходит выделение энергии и нагревание окружающей среды.

Эти процессы являются примером взаимного превращения тепловой и внутренней энергии, и подчиняются закону сохранения энергии.

Вопросы для самопроверки

1. Чем кипение отличается от испарения?

2. Что называют температурой кипения?

3. Почему температура кипения зависит от давления?

4. Приведите примеры кипения в природе и технике.

5. Что называется удельной теплотой парообразования?

6. Какая формула используется для вычисления количества теплоты при парообразовании?

7. Почему при кипении температура жидкости остаётся постоянной?

8. Что происходит с энергией при конденсации пара?

9. В чём практическое значение знания температуры кипения различных веществ?

10. Какое количество теплоты выделится при конденсации 2 кг водяного пара?